La creazione degli elementi in laboratorio approfondisce la comprensione

Laboratorio nazionale DOE/Oak Ridge

video: in questa animazione, una potente stella di neutroni, a destra, si nutre di una stella compagna. Le reazioni nucleari sulla superficie di una stella di neutroni possono riaccendersi, creando una complessa miscela di reagenti.vedere di più

Crediti: Jacquelyn DeMink/ORNL, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

Guidati da Kelly Chipps dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, gli scienziati che lavorano in laboratorio hanno prodotto una reazione nucleare caratteristica che si verifica sulla superficie di una stella di neutroni che divora massa da una stella compagna. Il loro risultato migliora la comprensione dei processi stellari che generano diversi isotopi nucleari.

"Le stelle di neutroni sono davvero affascinanti dal punto di vista sia della fisica nucleare che dell'astrofisica", ha affermato l'astrofisico nucleare dell'ORNL Kelly Chipps, che ha condotto uno studio pubblicato su Physical Review Letters. "Una comprensione più profonda delle loro dinamiche può aiutare a rivelare le ricette cosmiche degli elementi in ogni cosa, dalle persone ai pianeti."

Chipps è a capo del Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysicals, o JENSA, che conta collaboratori di nove istituzioni in tre paesi. Il team utilizza un esclusivo sistema target a getto di gas, che produce il getto di elio con la densità più alta del mondo per esperimenti con l'acceleratore, per comprendere le reazioni nucleari che procedono con la stessa fisica sulla Terra come nello spazio.

Il processo di nucleosintesi crea nuovi nuclei atomici. Un elemento può trasformarsi in un altro quando protoni o neutroni vengono catturati, scambiati o espulsi.

Una stella di neutroni ha un'immensa attrazione gravitazionale che può catturare idrogeno ed elio da una stella vicina. Il materiale si accumula sulla superficie della stella di neutroni finché non si accende in ripetute esplosioni che creano nuovi elementi chimici.

Molte reazioni nucleari che alimentano le esplosioni rimangono non studiate. Ora, i collaboratori di JENSA hanno prodotto una di queste reazioni nucleari distintive in un laboratorio della Michigan State University. Vincola direttamente il modello teorico tipicamente utilizzato per prevedere la formazione degli elementi e migliora la comprensione delle dinamiche stellari che generano isotopi.

Costruito presso ORNL e ora presso la Facility for Rare Isotope Beams, una struttura utente del DOE Office of Science gestita da MSU, il sistema JENSA fornisce un obiettivo di gas leggero denso, puro e localizzato entro un paio di millimetri. JENSA fornirà anche l'obiettivo primario per il Separator for Capture Reactions, o SECAR, un sistema di rilevamento presso FRIB che consente agli astrofisici nucleari sperimentali di misurare direttamente le reazioni che alimentano le stelle che esplodono. Il coautore Michael Smith di ORNL e Chipps sono membri del team di progetto di SECAR.

Per l'esperimento attuale, gli scienziati hanno colpito un bersaglio di particelle alfa (nuclei di elio-4) con un raggio di argon-34. (Il numero dopo un isotopo indica il numero totale di protoni e neutroni.) Il risultato di quella fusione ha prodotto nuclei di calcio-38, che hanno 20 protoni e 18 neutroni. Poiché questi nuclei erano eccitati, espellevano protoni e si trasformavano in nuclei di potassio-37.

I rilevatori di particelle cariche ad alta risoluzione che circondano il getto di gas hanno misurato con precisione le energie e gli angoli dei prodotti della reazione protonica. La misurazione ha sfruttato i rilevatori e l'elettronica sviluppati presso l'ORNL sotto la guida del fisico nucleare Steven Pain. Tenendo conto della conservazione dell'energia e della quantità di moto, i fisici hanno effettuato i calcoli retrospettivi per scoprire la dinamica della reazione.

"Non solo sappiamo quante reazioni si sono verificate, ma conosciamo anche l'energia specifica in cui è finito il nucleo finale del potassio-37, che è uno dei componenti previsti dal modello teorico", ha detto Chipps.

L'esperimento di laboratorio migliora la comprensione delle reazioni nucleari che si verificano quando il materiale cade sulla superficie di un importante sottoinsieme di stelle di neutroni. Queste stelle nascono quando una stella massiccia esaurisce il carburante e collassa in una sfera larga quanto una città come Atlanta, in Georgia. Quindi la gravità stringe le particelle fondamentali il più vicino possibile tra loro, creando la materia più densa che possiamo osservare direttamente. Un cucchiaino di stella di neutroni peserebbe quanto una montagna. Le stelle ricche di neutroni ruotano più velocemente delle lame del frullatore e formano i magneti più potenti dell'universo. Hanno croste solide che circondano nuclei liquidi contenenti materiale a forma di spaghetti o lasagne, guadagnandosi il soprannome di "pasta nucleare".